Подготовка сырья в технологии микробного получения этанола

Сырьем для биосинтеза пищевого этанола является:

- зерно, картофель, свекловичная меласса (Россия, Украина, Беларусь);

- сахароза, глюкоза, тростниковая меласса, богасса (США);

- маниок, батат, сладкое сорго (страны тропического климата, Бразилия);

- рис (Япония, Китай).

Для производства топливного этанола используется древесина, солома, торф, сульфитный щёлок, растительные отходы сельского хозяйства.

Среднее значение крахмалистости зерновых культур колеблется в интервале 45-60 %. Поэтому зерновое сырье является основным сырьем спиртопроизводства в России.

Зерновое сырье подвергается следующей обработке:

- механическое измельчение сырья дроблением. Цельное зерно подвергается дроблению. Критерием качества измельчения зерна является величина зерновой дробины. При высокотемпературном разваривании согласно регламенту доля частиц размером менее 1 мм должна составлять 70-80 %. Недопустимо большое (более 15 %) содержание «мучки», т.е. дробины с размером менее 0,1 мм. При высокотемпературном (155-160 °С) разваривании дробины с размером частиц менее 0,1 мм происходит деструкция полисахаридов до вредных, несбраживаемых веществ: органических кислот, метанола, фурфурола и т.д. Напротив, зерновая дробина с диаметром более 1 мм полностью не разваривается, что приводит к потере сырья.

Следует заметить, что степень помола связана со способом разваривания и при низкотемпературном разваривании (70-90 °С) стремятся довести проход через сито 1 мм до 95% чтобы ускорить разваривание. Присутствие мелкой фракции создает проблему с вязкостью замеса при низких температурах, но это проблема другого плана, которая решается известными способами.

- разваривание зерновой дробины для извлечения крахмала из зерна. Зерновая дробина смешивается с водой в соотношении 1:(2,5-5). Водно-зерновой замес предварительно разваривается при температуре 55-58 °С и подается на стадию основного разваривания при температуре 130-140 °С (для кукурузы 140-160 °С). Данные температурные режимы характерны для схемы высокотемпературного разваривания. В последние годы широко применяется низкотемпературная схема разваривания с температурным интервалом 70-90 °С.

В результате разваривания образуется затор – высоковязкий раствор клейстеризованного крахмала;

- охлаждение затора до температуры 55-60 °С;

- гидролиз и осахаривание крахмала с получением сусла (ферментативный гидролиз крахмала амилолитическими ферментами солода, грибов р. Aspergillus или бактерий р. Bacillus).

Гидролиз и осахаривание затора ведут ферментами амилазного комплекса при температуре не выше 60 °С, т.к. многие ферменты амилазного комплекса обладают термолабильностью. Тем не менее, при кратковременном воздействии высоких температур инактивируется лишь небольшая часть ферментов. Более того, продукты гидролиза крахмала оказывают защитное действие, замедляя инактивацию ферментов. Поэтому при высоких концентрациях сухих веществ в заторе амилазы долгое время проявляют активность даже при температуре 60 °С.

Если в процессе осахаривания крахмал гидролизуется неполностью, гидролиз продолжается при дальнейшем сбраживании сусла. С целью сохранения активности амилаз температура осахаривания не должна превышать оптимальную температуру. Оптимальная температура для поддержания активности ферментов не всегда соответствует оптимальной температуре осахаривания. Частичная инактивация амилазы компенсируется увеличением производительности процесса из-за проведения процесса гидролиза и осахаривания в условиях повышенной температуры.

Кроме того, повышенная температура (выше 60 °С) благоприятствует стерильности сусла. Понижение температуры ниже 40-50 °С нежелательно, поскольку может привести к контаминации сусла.

Несмотря на неблагоприятные условия по рН и температуре процесса гидролиза и осахаривания, вследствие активности протеиназ (протеаз), входящих в амилолитический комплекс ферментов, в сусле в 2,5-3 раза повышается содержание аминного азота (растворимых белков), необходимого для питания дрожжей.

Во время осахаривания проявляется активность фосфатазы, освобождающей из высокомолекулярных веществ зерна соединения фосфора. Увеличение содержания фосфора положительно сказывается на жизнедеятельности дрожжей и повышении буферности затора, что препятствует снижению рН при сбраживании.

О полноте гидролиза крахмала и осахаривания судят по йодной пробе. Если окраска затора после внесения раствора йода не изменяется, гидролиз и осахаривание прошли достаточно полно. Красная окраска пробы указывает на избыток в сусле декстринов, сине-фиолетовая – на наличие в нем неосахаренного крахмала;

- внесение солей азота и фосфора для обогащения п.с. этими макроэлементами;

- подкисление затора до рН 3,8-4,0.

Некоторые сведения о промышленном применении ферментов [10,11]

В настоящее время получили распространение два метода использования ферментов в биотехнологических процессах. Первый метод связан с использованием ферментов, содержащихся в перерабатываемом сырье; второй – ферментов, вносимых в обрабатываемый материал.

Использование индивидуальных очищенных ферментов в процессах биокатализа экономически невыгодно. Чаще всего их используют в виде ферментных препаратов, которые, помимо активного белка, содержат балластные вещества. Ферментные препараты готовят из сырья животного и растительного происхождения, а также на основе микроорганизмов.

Большое число ферментных препаратов микробного происхождения получают из поверхностных и глубинных культур микроскопических грибов, бактерий и дрожжей. Высокоочищенные и технические ферментные препараты содержат в составе один фермент либо несколько ферментов. При этом один фермент может доминировать. При определении названия ферментного препарата учитывают только доминирующий (основной) фермент.

Наименование ферментного препарата складывается из сокращенного названия основного фермента и видового названия его продуцента, к которым присоединяется окончание " ин ". Если основным ферментом является α-амилаза, то название препарата начинается с "амил", глюкоамилаза – "глюк", протеаза – "прот". Вторая часть названия представляет собой измененное видовое название продуцента фермента. Так, например, если продуцент Аsрergillus awamorie, то вторая часть называется "авамори", Bacillus subtilis – "субтил" и т.д. На рисунке 6 приведен пример обозначения гидролитического ферментного препарата грибного происхождения – глюкаваморин, в составе которого доминирует глюкоамилаза.

Способ культивирования	Рисунок 6 – Схема наименования ферментного препарата
глюкаваморин П 2Х
Название основного фермента	название продуцента	степень очистки

Если название микроорганизма-продуцента начинается на согласную, то в названии ферментного препарата появляется соединительная буква "о", например, амил о субтилин.

Название ферментного препарата отражает также способ культивирования продуцента. При глубинном способе культивирования добавляется буква "Г", при поверхностном – "П". Количество фермента в стандартной глубинной или поверхностной культуре условно обозначается "X". Число перед "X" обозначает степень очистки ферментного препарата в процессе получения.

ПХ, ГХ – стандартная исходная культура продуцента без дополнительной очистки.

П2Х, Г2Х – жидкий концентрат растворимых веществ исходной культуры, освобожденной от нерастворимой части.

ПЗХ, ГЗХ – сухие ферментные препараты, полученные путем распыления.

П10Х, Г10Х – сухие препараты, полученные осаждением ферментов.

П15Х, Г15Х – очищенные препараты, осажденные путем фракционирования.

П25Х, Г25Х – высокоочищенные препараты, содержание балластных веществ – 20-25 %.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: